钢筋混凝土梁动态剪切开裂特性及其影响因素研究

  钢筋混凝土梁动态剪切开裂特性及其影响因素研究  Summary：钢筋混凝土简支梁可广泛应用于各类建筑主体结构,作为结构重要荷载受力支撑构件,若支梁发生脆性剪切开裂破坏则会直接造成多种严重后果。由于支梁抗剪开裂问题和影响因素的复杂性,目前关于钢筋混凝土简支梁在动态荷载受力作用下抗剪切性能的影响因素研究,还是尚未能得出统一的研究结论。因此,研究钢筋混凝土构件简支梁在动态固定荷载受力作用下剪切后的开裂反应特性及其影响因素,具有非常重要的理论意义。因此本文主要利用有限元分析软件MSC.Marc对梁在动态荷载受力作用影响进行数值模拟，分别研究了加载速率、纵筋率、剪跨比等三种不同因素对动态荷载剪切作用下钢筋混凝土简支梁开裂特性的影响。Keys：钢筋混凝土简支梁；剪切特性；开裂特性；加载速率；纵筋率；剪跨比StudyondynamicshearandcrackingbehaviorofreinforcedconcretebeamandinfluencingfactorsAbatract：Reinforcedconcretesimplysupportedbeamscanbewidelyusedinthemainstructureofvariousbuildings,asimportantloadbearingmembersofthestructure.Ifthebeamsundergobrittleshearcracking,itwilldirectlycauseavarietyofseriousconsequences.Duetothecomplexityoftheshearcrackingproblemandtheinfluencingfactorsofbeams,thecurrentresearchontheinfluencefactorsoftheshearresistanceofreinforcedconcretebeamsunderdynamicloadhasnotyetbeenabletoreachaunifiedresearchconclusion.Therefore,ithasveryimportanttheoreticalsignificancetostudythecrackingresponsecharacteristicsandinfluencingfactorsofsimplysupportedbeamsofreinforcedconcretemembersunderdynamicfixedload.Therefore,thispapermainlyusesthefiniteelementanalysissoftwareMSC.Marctonumericallysimulatetheeffectofdynamicloadonthebeam.Threedifferentfactorssuchasloadingrate,longitudinalreinforcementratio,andshearspanratiohavebeenstudiedseparatelyfortheeffectofdynamicshearonreinforcedconcrete.Theinfluenceofthecrackingcharacteristicsofsimplysupportedbeams.Keyword：Reinforcedconcretebeams;Shearproperties;Crackingcharacteristics;钢筋混凝土是一种复合性材料，它是由混凝土和钢筋组成的，普遍运用于各类建筑结构。在其服务寿命期间内，钢筋混凝土建筑结构可能承受如爆炸、冲击或地震等各种各样的动态荷载。了解加载速率对在动态荷载作用下钢筋混凝土结构和构件的影响是非常重要的。研究结果 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明[1]，钢筋混凝土结构力学性能受加载速率的影响，直接反映了其力学性能速率敏感性。钢筋的强度与加载速率呈正相关。钢筋混凝土材料本质上就是属于准硬度脆性材料，加载速率对其应力应变响应影响非常显著[2-3]。一般而言，加载越快会导致素混凝土的强度提提升，其脆性也更加明显。钢筋混凝土构件容易发生剪切破坏，尤其是在动荷载作用下，钢筋混凝土结构的剪切变形和开裂是最易出现的，首先构件局部发生破坏，产生细小的裂缝，裂缝逐渐发展延伸，进而影响整体，导致倒塌。因此，研究钢筋混凝土简支梁动态荷载下的剪切开裂特性具有非凡的理论意义。无数国内外学者针对在动态荷载作用下钢筋混凝土构件（包括梁）的抗剪性能开展了大量研究，得出了丰硕的研究成果。基于大量的试验数据，对比分析相应数值模拟结果，发现钢筋混凝土梁的承载能力、破坏模式、裂缝形态和开裂速度均与荷载的加载速率有着密不可分的联系[4-6]。但动态盒荷载作用下钢筋混凝土梁的抗剪切性能的影响因素众多，且非常复杂，目前对其认识仍十分浅薄。因此，本文采用有限元软件MSC.Marc建立三维钢筋混凝土梁，通过施加荷载模拟动态荷载作用下钢筋混凝土简支梁的受力过程，分别探究加载速率、剪跨比和纵筋率三种因素作用下，钢筋混凝土梁动态荷载剪切特性及开裂模式。1钢筋混凝土梁非线性分析在相关研究基础上[1]，首先选用MSC.Marc软件建立钢筋混凝土梁的三维模型，然后对比分析试验结果与模拟结果，验证数值模拟的可行性。1.1非线性求解 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 采用非线性弹簧单元，模拟分析变形体自身、刚体、变形体三种不同组合之间的接触，本文运用迭代方法对钢筋混凝土梁的非线性问题进行求解，其分析流程如图1所示。图1 MSC.Marc非线性分析流程图1.2微裂纹模型微裂纹模型能够模拟材料的开裂行为，反映材料在受压时的破碎及受拉下的开裂。该模型仅适用于如混凝土等初始各向同性材料。图2为微裂纹模型典型的单轴盈利应变图。图2微裂纹模型单轴应力应变关系在建立开裂模型时，需要设置临界开裂应力、拉伸软化模量、极限压应变、剪切保留系数等参数。当第一主应力σ超过一定值时，在σ的垂直方向会产生裂纹，如图3所示。图3裂缝开展示意图在初始裂纹形成后，第二裂纹的形成可在第一裂纹的垂直方向。材料产生裂纹后，第一主应力方向应力并不是立即变为零，在拉伸软化作用下，直到裂纹上的应力消失，而材料此时完全失去承载能力。2模型建立及验证图4为梁的具体尺寸及配筋情况。其抗压强度设定为40MPa，抗拉强度取为3MPa，纵筋屈服强度为371MPa，箍筋屈服强度为342MPa，加载速率分别为0.04mm/s,40mm/s。图4钢筋混凝土试验梁尺寸与配筋图2.1有限元模型建立在MSC.Marc中，混凝土及钢筋单元网格尺寸选用20mm*20mm，混凝土选用8节点6面体单元，钢筋选取三维桁架单元。图5为试验梁的有限元模型，图6为钢筋骨架有限元模型。图5钢筋混凝土梁有限元模型图6钢筋骨架有限元模型混凝土单轴受压本构方程为：        (1.1)          (1.2)        (1.3)式中：为混凝土峰值压应力对应的压应变，为从原点到压应力峰值点的割线模量。混凝土材料受压动态本构关系同样采用公式为： (1.3)        (1.4)式中：为准静态应变率，为混凝土动态抗压强度，为混凝土准静态抗压强度。混凝土受拉本构采用双折线开裂模型。钢筋受拉本构采用理想弹塑性模型，动力增大系数DIF由以下公式计算：  (1.5)  (1.6)式中：为准静态应变率，为钢筋应变率；为钢筋动态屈服强度，为钢筋静态屈服强度;；为钢筋动态极限强度，为钢筋静态极限强度。2.2模型验证模拟梁和试验梁的跨中位移隧荷载变化曲线如图7所示。图7钢筋混凝土梁跨中荷载-位移曲线在加载速率为0.04mm/s和40mm/s时，模型中的模拟值与其试验中的屈服强度试验值都比较符合。但从曲线不难看出，模拟梁与试验梁两者的刚度稍有差别，这可能是由于与试验梁中钢筋和混凝土弹性模量与模型中设定的 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 值不一致。图8钢筋混凝土梁开裂情况（0.04mm/s）图9钢筋混凝土梁开裂情况（40mm/s）从图8和图9中可以看出，试验梁和模拟梁破坏后出现竖向弯拉裂缝和斜向剪切裂缝的分布情况大致一致。综合分析可知试验梁和模拟梁均为弯拉剪切破坏， 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 了该数值模拟方法的可行性。3钢筋混凝土梁开裂影响因素研究大量研究成果表明，纵筋率和剪跨比对裂缝发展模式影响很大。因此，本文通过建立的数学模型，研究钢筋混凝土梁从开裂至屈服的加载过程中加载速率、纵筋率和剪跨比分别对斜向受剪裂缝、竖向受弯裂缝等效开裂应变的影响。3.1斜向受剪裂缝影响因素分析（1）加载速率    分析不同加载速率对3种钢筋混凝土梁斜向受剪裂缝等效开裂应变的影响，如图10所示。（a）=1.57%（b）=2.12%（c）=2.80%图10加载速率对梁斜向受剪裂缝影响从图10中可以看出，在梁开裂后，最大等效开裂应变值迅速变大，当梁达到极限屈服强度后逐渐趋于稳定，这说明受剪斜裂缝在梁屈服之后发展趋势逐渐变缓直至停止。加载越快会使得斜裂缝最大开裂应变值增大，钢筋和混凝土强度提升，导致受剪跨区的截面弯矩及剪力强度变大，进而逐渐导致斜裂缝变大。（2）纵筋率分析不同纵筋率对3种不同剪跨比的钢筋混凝土梁斜向受剪裂缝等效开裂应变的影响，如图11所示。（a）=1.5（b）=2.0（c）=2.5图11纵筋率对梁斜向受剪裂缝影响由图11可知，纵筋率增加使斜裂缝最大开裂应变值产生逐渐变大的趋势。其原因有两种：第一，剪跨区截面弯矩及剪力强度随着纵筋率增加而都增加，进而导致斜裂缝逐渐变大。第二，纵筋对其周边的混凝土裂缝约束作用随纵筋率增加而越来越强，但对距钢筋较远的混凝土裂缝的约束力明显大大降低，从而间接提高了受剪斜裂缝的发展程度。（3）剪跨比分析不同剪跨比对3种纵筋率的钢筋混凝土梁斜向受剪裂缝等效开裂应变的影响，如图12所示。（a）=1.57%（b）=1.57%（c）=2.80%图12剪跨比对梁斜向受剪裂缝影响从图12中不难看出，剪跨比增加使得斜裂缝最大开裂应变值产生减小的趋势。其原因有两种：第一，随着剪跨比增加，剪跨区截面弯矩和剪力均减小，从而致使斜裂缝也变小。第二，剪跨比的增大使得梁的弯剪承载能力降低，其剪切特征减弱，故斜裂缝也变小。3.2竖向受弯裂缝影响因素分析（1）加载速率分析不同加载速率对3种钢筋混凝土梁竖向受弯裂缝等效开裂应变的影响，如图13所示。（a）=1.57%（b）=2.12%（c）=2.80%图13加载速率对梁竖向受弯裂缝影响   由图13知，梁底部的竖向受弯裂缝最大等效开裂应变值在梁开裂后逐渐增加，而当梁达到屈服强度后，应变值的增长速率出现突变，应变值急速增长。竖向受弯裂缝最大开裂应变值随着加载速率的增加而减小。这是由于加载越快导致钢筋强度提升，梁底部纵筋周界处的混凝土裂缝受纵筋的约束作用变大，进而导致梁开裂时应变减小。（2）纵筋率分析不同纵筋率对3种不同剪跨比的钢筋混凝土梁竖向受弯裂缝等效开裂应变的影响，如图14所示。（a）=1.5（b）=2.0（c）=2.5图14纵筋率对梁竖向受弯裂缝影响   由图14可知，除个别情况外，竖向受弯裂缝最大开裂应变值随着纵筋率的增大有着明显的减小趋势。其原因为纵筋率增大，梁底部纵筋周界处的混凝土裂缝受纵筋的约束作用增强，从而导致梁开裂时应变减小。（3）剪跨比分析不同剪跨比对3种纵筋率的钢筋混凝土梁竖向受弯裂缝等效开裂应变的影响，如图15所示。（a）=1.57%（b）=2.12%（c）=2.80%图15剪跨比对梁竖向受弯裂缝影响由图15可以看出，剪跨比逐渐增大，除个别情况外，竖向受弯裂缝最大开裂应变值逐渐减小。其原因为剪跨比增大，梁承载力变小，梁底部纵筋应力应变均变小，而竖向受弯裂缝的等效开裂应变值与梁底部纵筋的应力应变呈正相关，进而导致竖向受弯裂缝变小。4结论本文利用有限元软件MSC.Marc对动态荷载作用下钢筋混凝土简支梁的受力过程进行数值模拟。通过模拟分别研究了加载速率、剪跨比、纵筋率对斜向受剪裂缝开裂应变、竖向受弯裂缝开裂应变的影响。得出以下结论：（1）通过钢筋混凝土梁三维有限元模型，分析数值模拟计算结果与试验结果，证明数值模拟分析的可行性。（2）加载速率、纵筋率与斜向受剪裂缝最大应变值呈正相关，而与竖向受弯裂缝最大开裂应变值呈负相关。剪跨比与斜向受剪裂缝最大应变值、竖向受弯裂缝最大开裂应变值均呈负相关。Reference[1]LiBing,R.Park,H.Tanaka. Constitutivebehaviorofhigh-strengthconcreteunderdynamicloads[J].ACIStructuralJournal,2000,97(4):619-629.[2]李敏.材料的率相关性对钢筋混凝土结构动力性能的影响[D].大连理工大学，2011.[3]S.Saatci,J.V.Vecchio.Effectofshearmechanismsonimpactbehaviorofreinforcedconcretebeams[J].ACIStructuralJournal,2009,106(1):78-86.[4]M.Larcher.Developmentofdiscretecracksinconcreteloadedbyshock[J].InternationalJournalofImpactEngineering,2009,36(5):700-710[5]J.Carneiro.Theeffectofconcretestrengthandreinforcementontoughnessofrein-forcedconcretebeams[J].ConstructionandBuildingMaterials.2005,19(7):493-499.[6]肖诗云，曹闻博，潘浩浩.不同加载速率下钢筋混凝土梁力学性能试验研究[J].建筑结构学报，2012,33(12):142-146.[7]S.D.Adhikary,LiBing,K.Fujikake.Dynamicbehaviorofreinforcedconcretebeamsundervaryingratesofconcentratedloading[J].InternationalJournalofImpactEngineering,2012,47:24-38. -全文完-